Modellbasierte Analyse der Störfestigkeit von Kfz-Bussystemen

Die Entwicklung und Integration neuer Fahr- und Sicherheitsfunktionen in ein Fahrzeug erfordern den schnellen und sicheren leitungsgebundenen Austausch von Daten zwischen Sensoren und Steuergeräten. Die Robustheit der fahrzeuginternen Datenübertragung mittels Bussystemen kann jedoch durch externe elektromagnetische Felder beeinträchtigt werden. Die modellbasierte Analyse ist ein wichtiges Werkzeug, mit dem systematische Untersuchungen der Störfestigkeit von Bussystemen gegenüber eingekoppelten elektromagnetischen Feldern bereits in einer frühen Entwicklungsphase durchgeführt werden können. Es werden dazu Modelle der Physical Layer von Automotive Ethernet und CAN FD, sowie für die Einkopplung von externen Feldern in Kommunikationsleitungen für den Einsatz in Netzwerksimulationstools vorgestellt. Auf Basis von messtechnischen Analysen können Bewertungskriterien für die Störfestigkeit von Bustransceivern formuliert werden. Die Modelle für Bussysteme, Koppelpfade und Fehlerkriterien können für den Aufbau von Simulationen verwendet werden, um Parameterstudien zur Identifikation kritischer Einflussparameter der Störeinkopplung durchzuführen. Es wird eine Methodik vorgestellt, mit der die Störfestigkeit verschiedener Topologien, Koppelstrecken und Bussysteme systematisch untersucht, bewertet und verglichen werden kann. Neben der Analyse der Störfestigkeit werden Maßnahmen zur Reduktion der Störungen in Bussystemen, wie die Wahl von Geometrieparametern potentieller Koppelpfade und der Aufbau der Terminierungsnetzwerke diskutiert. Ein neues Konzept zur Erhöhung der Übertragungssicherheit auf Basis der Synchronisation von Störquelle und Bussystem wird vorgestellt und analysiert. Während wiederkehrende Schalthandlungen von leistungselektronischen Komponenten zu einer Störeinkopplung in ein Bussystem und damit zu einer erheblichen Reduktion der Zuverlässigkeit der Übertragung führen, können mit der neuen kooperativen Betriebsstrategie störungsfreie Zeitintervalle für eine robuste und latenzarme Datenübertragung genutzt werden. Mit den neuen Simulationsmodellen können verschiedene Topologien und Bussysteme, sowie Maßnahmen zur Erhöhung der Störfestigkeit simulationsbasiert untersucht und verbessert werden

Analyse der Störfestigkeit von Automotive Ethernet Kommunikationssystemen

Die ansteigende Anzahl der elektronischen Systeme im Fahrzeug und die Art der Anwendungen erhöhen den Bedarf an robusten Kommunikationssystemen. Im Hinblick auf echtzeitfähige Anwendungen in teilautomatisierten oder vollautomatisierten Fahrzeugen ergeben sich hohe Anforderungen an die notwendige Datenrate und die Übertragungssicherheit der Kfz-Kommunikationssysteme. Um diese Aufgabe zu erfüllen wurde als neues Kommunikationssystem Automotive Ethernet entwickelt [1], welches heute meist mit einer Übertragungsrate von 100 Mbit/s eingesetzt wird. Das Datensignal wird über eine ungeschirmte verdrillte Leitung übertragen und mithilfe einer Amplitudenmodulation, bestehend aus drei verschiedenen Spannungspegeln, codiert [2]. Die hohe Datenrate führt zu einer relativ geringen Symboldauer und die Verwendung von ungeschirmten Leitungen begünstigt die Einkopplung von Störungen, die zu einer Beeinträchtigung der Kommunikation führen können. Für den Entwurf von Kommunikationssystemen im Fahrzeug ist damit eine Bewertung der Kommunikationsgüte und die Beurteilung von potentiellen Störsignalen von hoher Bedeutung. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit der Bewertung der Störfestigkeit einer 100BASE-T1 Kommunikation. Es werden verschiedene Ansätze zur Bewertung der Kommunikation diskutiert, um eine Aussage anhand der Signale auf dem Physical Layer vorzunehmen. Im Anschluss werden Untersuchungsergebnisse zur Störfestigkeit einer realen Kommunikationsstrecke gegenüber differentieller Störpulse vorgestellt. Die Untersuchungen zeigen den Einfluss verschiedener Störsignale auf Bit- und Paketfehler in einer 100BASE-T1 Kommunikation

Simulationsbasierte Analyse der Störfestigkeit von ausgedehnten CAN FD-Netzwerken gegen elektromagnetische Felder

Die große Anzahl von elektrischen Komponenten und Steuergeräten im Fahrzeug erfordert Kommunikationssysteme mit vielen Teilnehmern und hohen Datenraten. CAN FD [1,2] ermöglicht Übertragungsraten bis 8 MBit/s über ein ungeschirmtes verdrilltes Leitungspaar. Die räumliche Ausdehnung der Kommunikationsnetzwerke und die Zunahme leistungselektronischer Systeme im Fahrzeug bilden eine herausfordernde elektromagnetische Umgebung. Teile des Kommunikationsnetzes können sich nah an Störquellen befinden, was eine Einkopplung von Störgrößen ermöglicht. Für die Realisierung von neuen Fahrzeugfunktionen bis hin zu automatisiertem Fahren ist eine schnelle und zuverlässige Datenübertragung unerlässlich und damit auch die genaue Kenntnis über die Störfestigkeit der Kommunikationssysteme. In diesem Beitrag wird eine simulationsbasierte Analysemethode von ausgedehnten CAN FD-Netzwerken mit mehr als 3 Teilnehmern vorgestellt, die eine quantitative Bewertung der Störfestigkeit verschiedener Netzwerktopologien ermöglicht. Es wird ein modular aufgebautes Simulationssetup präsentiert, das für eine systematische Analyse von Parametern der Netzwerktopologie und der Störeinkopplung verwendet wird. Als Störquelle wird eine ebene Welle betrachtet, sodass die Analyse verschiedener Frequenzen der eingekoppelten Felder möglich ist. Die Verwendung von ungeschirmten verdrillten Leitungen führt vor allem zur Einkopplung von Common-Mode-Störungen (CM). Da in einem differentiell übertragenden Kommunikationssystem Differential-Mode-Störungen (DM) besonders kritisch sind, wird ebenfalls die durch Asymmetrien im Netzwerk hervorgerufene Modenkonversion und die damit entstehenden DM-Störungen untersucht. Das Paper ist wie folgt strukturiert: In Kapitel 2 werden die Simulationsmodelle für Kommunikationstransceiver, Leitungen und Störeinkopplung einer ebenen Welle vorgestellt. In Kapitel 3 werden auf Basis der Modelle verschiedene Netzwerktopologien aufgebaut und mit Frequenz- und Zeitbereichssimulationen untersucht. Der Fokus liegt dabei auf der Methodik der simulationsbasierten Analyse der Netzwerktopologien. Die CM- und DM-Spannungen an den verschiedenen Transceivern im Netzwerk können für die Bewertung der Störfestigkeit verwendet werden, sodass kritische Parameter der untersuchten Sterntopologien identifiziert werden können. Die Ergebnisse werden in Kapitel 4 zusammengefasst

Optimierung von digitalen aktiven adaptiven Kerbfiltern zur Unterdrückung von Störungen leistungselektronischer Systeme durch eine optimierte Sekundärpfadschätzung

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Störfestigkeitsanalyse von 100BASE-T1 und 1000BASE-T1 Automotive Ethernet-Kommunikationssystemen mittels Direct Power Injection

Die Notwendigkeit von schneller und zuverlässiger Datenübertragung im Fahrzeug hat zur Entwicklung von Automotive Ethernet-Kommunikationstechnologien geführt, die Übertragungsraten von 100 MBit/s (100BASE-T1) [1] und 1 GBit/s (1000BASE-T1) [2] über ein einzelnes, verdrilltes Leitungspaar (engl. Twisted Wire Pair, TWP) ermöglichen. Diese beiden Kommunikationsstandards werden als Punkt-zu-Punkt-Verbindung realisiert und die Daten werden im Vollduplexverfahren übertragen. Beide Standards verwenden eine dreistufige Pulsamplitudenmodulation (PAM 3) und dieselbe Struktur des Terminierungsnetzwerks [3]. Die hohen Übertragungsraten und kurzen Symboldauern können jedoch zu geringerer Immunität gegenüber elektromagnetischen Störeinkopplungen führen. Die Zuverlässigkeit der Übertragung ist im Hinblick auf sicherheitskritische Anwendungen in Elektrofahrzeugen mit vielen leistungselektronischen Systemen ein zentrales Kriterium für die Einsetzbarkeit der Kommunikationssysteme. Die Einkopplung von Common-Mode-Störungen (CM) durch elektromagnetische Felder kann bei der Verwendung von ungeschirmten Kommunikationsleitungen nicht vermieden werden. Aus diesem Grund ist eine genaue Kenntnis über die Störfestigkeit von Kommunikationstransceivern gegenüber diesen Störgrößen von großer Bedeutung. In z.B. [4] und [5] wurde die Störfestigkeit von 100BASE-T1 mit der Bulk-Current-Injection-Methode (BCI) untersucht und der Einfluss der Störungen auf die Kommunikationssignale dargestellt. Das Ziel dieses Beitrags ist es, die Störfestigkeit von 100BASE-T1- und 1000BASE-T1-Kommunikationssystemen gegenüber sinusförmigen CM-Störungen zunächst mit Messungen zu quantifizieren, anschließend mittels Simulationen systematisch zu analysieren und damit die Vergleichbarkeit der elektromagnetischen Störfestigkeit der Systeme zu ermöglichen. In Kapitel 2 wird der verwendete Messaufbau zur Untersuchung der Störfestigkeit gegenüber Common-Mode-Störungen basierend auf der Methode der Direct Power Injection (DPI) und den entsprechenden Vorgaben der OPEN Alliance [6,7] erläutert und die Ergebnisse dargestellt. In Kapitel 3 wird ein Modellierungsansatz eingeführt, mit dem die Terminierungsnetzwerke der Kommunikationssysteme und die DPI-Störeinkopplung simuliert werden können. Die Simulation wird in Kapitel 4 für eine weiterführende systematische Untersuchung der Störfestigkeit verwendet. Es werden sowohl das methodische Vorgehen, als auch die kritischen Störpegel für die verschiedenen Kommunikationssysteme dargestellt und diskutiert. Eine Zusammenfassung der Ergebnisse erfolgt in Kapitel 5